Обои вместо солнечных панелей: влажность воздуха в доме превратили в электричество

Учёные Бингемптонского университета (США) предложили вырабатывать электроэнергию не на крыше, а прямо внутри дома. В новой работе они описали технологию, превращающую влажность воздуха в помещении в слабый электрический ток — альтернативу солнечным панелям.

Гигроэлектрические генераторы, преобразующие влажность в электричество, до сих пор применялись на открытом воздухе и давали микроватты на квадратный сантиметр. Мешали нестабильные погодные условия: ветер, колебания влажности и температуры. Внутри помещений условия выгоднее — влажность держится относительно постоянной на уровне 30–60%, а дополнительную влагу добавляет повседневная деятельность жильцов: дыхание, готовка, водные процедуры.

Основой для «электрических» обоев стала лабораторная бумага Whatman 3 MM толщиной 340 мкм, а соединения скрытно проложили с тыльной стороны. Две стороны листа связаны через отверстия диаметром 1 мм — их прорезают лазером и заполняют серебряной краской. Производство включает восковую и трафаретную печать, распыление вещества и лазерную обработку, при этом «чистая комната» не нужна. Учёные хотят, чтобы все компоненты можно было изготавливать массовым печатным методом.

Конструкция состоит из бумажных квадратов 2 × 2 см, каждый поделён на три зоны. По краю нанесена глицериносодержащая смесь: глицерин поглощает из воздуха водяной пар и превращает его в жидкую воду внутри бумаги. В середине — полимер поливинилпирролидон (ПВП) с мелкими порами, который прочнее удерживает воду, а капиллярный эффект затягивает влагу внутрь. Центральная часть обработана воском: он отталкивает жидкую воду, но сохраняет микроскопические поры, чтобы пар выходил наружу.

Химия глицерина, целлюлозы и ПВП помогает высвобождать протоны (ионы водорода) из молекул воды. По краям таких скоплений их образуется больше, возникает электрический ток, который принимают графитовые электроды. Показатели пока скромные: один элемент выдал около 0,34 В при влажности 80%, цепь из десяти элементов — около 2,9 В. Массив из 35 элементов питал датчик влажности примерно 15 минут, а самый крупный массив из 1596 элементов дал 3,5 В при влажности около 38% — этого хватило для беспроводной клавиатуры на конденсаторе. Итоговая мощность для настенной конфигурации не приводится.

Материал работает и как буфер влажности, поглощая её и отдавая обратно. В герметичной камере 30 × 30 × 15 см 28 элементов за четыре минуты снизили влажность с 75 до 50%. Насыщенная водой бумага подняла влажность сухого воздуха с 15 до 20% за 16 минут. В обычном помещении большой массив за 15 минут снизил влажность с 38 до 32%.

Пока исследователям достаточно подтвердить концепцию. Реалистичная цель — питать сенсоры, беспроводные модули и устройства интернета вещей, а не заменять электросеть или солнечные панели. Если материал окажется достаточно долговечным, стена станет автономным датчиком, следящим за состоянием воздуха в помещении.